tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật NGHIÊN cứu CHUNG về các hệ điều KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỨNG DỤNG ĐỘNG cơ từ KHÁNG

CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU CHUNG VỀ CÁC HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNGỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG

1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG (ĐCTK)

Động cơ từ kháng có thể được coi là một trong những loại máy điệnđầu tiên trên thế giới, nhưng ĐCTK vẫn không được chú trọng phát triểndo một số các nhược điểm mang tính tiền định có nguồn gốc từ nguyên lýđộng cơ, đó là:

- Momen quay chứa nhiều hàm bậc cao (Momen lắc) gây ra nhiềutiếng ồn hơn nhiều so với các loại động cơ khác.

- Hiệu suất của các hệ truyền động sử dụng ĐCTK thấp hơn(cos  0.5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác(cos  0.7  0.85) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác).

Trong những năm gần đây, do cộng nghệ bán dẫn phát triển mạnhvà thu được nhiều thành công đáng kể thì ĐCTK đã và đang được quantâm ngày càng nhiều và được biết đến với cái tên “Động cơ từ kháng loạiđóng ngắt”, loại hình máy điện này có hai đặc điểm nổi bật, đó là:

- Hoạt động trong trạng thái đóng ngắt liên tục, đây là lý do chủ yếugiải thích tại sao ĐCTK chỉ được quan tâm phát triển khi ngành vật liệubán dẫn đạt được những thành công vượt bậc.

- Từ kháng: ĐCTK là theo đúng nghĩa đen của nó, nghĩa là trong cảhai phía Rotor và Stator đều có sự thay đổi từ kháng (điện kháng phức)trong khi động cơ làm việc, hay nói một cách chính xác hơn ĐCTK là loạimáy điện có cực ở cả hai phía.

Khái niệm máy điện từ kháng đã có từ rất lâu, với cái tên máy điệntừ và sau này được phát triển thành một khái niệm mới đó là động cơbước Một cách cơ bản thì ĐCTK là một dạng động cơ bước đã và đangcó rất nhiều ứng dụng trong cả lĩnh vực ứng dụng động cơ bước chuyểnđộng quay và động cơ bước tuyến tính.

Ý tưởng sử dụng mô hình ĐCTK trong chế độ liên tục (không phảilà chế độ “bước” kinh điển) với bộ điều khiển sử dụng linh kiện công suấtbán dẫn đã được Kosh và Lawrenson khởi xướng vào những năm 60 củathế kỷ 20 Vào thời kỳ này chỉ có thể sử dụng những mạch công suấtThiristor để điều khiển ĐCTK Ngày nay cùng với sự ra đời của các loạilinh kiện bán dẫn như GTO, IGBT, Bipolar TRANSITOR, MOSFET đãđược áp dụng để thiết kế các bộ điều khiển công suất lớn cho ĐCTK.

Có cấu trúc đơn giản là một đặc điểm rất quan trọng của ĐCTK sovới tất cả các loại máy điện khác Rotor của ĐCTK không cần thành phầnkích thích vĩnh cửu, chổi than hay chuyển mạch trong phần Rotor Cáccuộn dây được cuốn xung quanh cực Stator một cách tập trung và độc lậpvới nhau tạo thành các pha và mỗi pha gồm hai cực Phần Rotor khôngchứa các cuộn dây mà chỉ đơn giản là các lá thép được ép lại với nhauhình thành các răng của Rotor ĐCTK là loại động cơ duy nhất cấu tạo cócực ở cả phía Rotor và Stator Và như thế, ĐCTK hứa hẹn trong tương laikhông xa những hệ truyền động ổn định, giá thành hạ và có thể thay thếrất nhiều hệ truyền động đang sử dụng động cơ không đồng bộ Rotor lồngsóc, hay động cơ một chiều.

1.2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG ĐỒNG BỘ TUYẾN TÍNH

Ứng dụng của động cơ truyền động tuyến tính thay vì động cơ quay trong sựtruyền động đang ngày càng phát triển Động cơ tuyến tính có thể ứng dụng trong

các tàu điện tốc độ cao hoặc thang máy Ngày nay, động cơ tuyến tính đang trở nênngày càng quan trọng trong ngành công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao So sánhvới động cơ quay, động cơ tuyến tính không cần sự biến đổi chuyển động Điều đócó nghĩa là không có sự tổn hao năng lượng, tính đàn hồi cũng như khe hở tạo ra bởicác yếu tố chuyển từ động cơ quay sang động cơ tuyến tính.

Động cơ tuyến tính sử dụng trong công nghiệp chiếm ưu thế hơn hẳnbởi vì không cần biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính làhữu hạn Kiểu động cơ tuyến tính 3 pha phù hợp với các điều kiện hoạt độngkhác nhau, nhưng chúng lại không thích hợp với sự tổng hợp điều khiển.Những biến số của chúng phụ thuộc tuyến tính với nhau Với sự tổng hợpđiều khiển các mô hình động học của động cơ tuyến tính trên 2 trục kiểu độnghọc thường được sử dụng Sự nhận dạng chính xác về các tham số dưới cácđiều kiện hoạt động khác nhau là thực sự cần thiết trong thiết kế các bộ điềukhiển.

Phần giới thiệu chỉ tập trung vào sự nhận dạng các tham số của môhình động học của động cơ từ kháng đồng bộ tuyến tính trên hai trục (LineSynchnonous Reluctarce Motor – LSRM) dưới những điều kiện hoạt độngkhác nhau Tác giả sử dụng những thí nghiệm và phương pháp tính khác nhaucho sự nhận biết các tham số của các kiểu động cơ khác nhau Phương phápthực nghiệm dựa trên những thí nghiệm trên động cơ cung cấp bởi nguồn điệnáp theo hàm sin [1], [2], [3] và được cấp bởi nguồn điện áp một chiều [3].Nền tảng cho phương pháp tính [2], [4], [5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác] là phương pháp phần tử hữu hạn(FEM).

Trong phần này, giới thiệu mô hình động cơ kiểu động học 2 trục – 3pha LSRM được đề cập đến đầu tiên Các thông số điện và cơ của kiểu LSRMđược nhận biết bởi các thí nghiệm áp dụng trên một LSRM cung cấp bởi

nguồn biến đổi điện áp (VSI) Một điều đặc biệt đáng lưu ý cho sự nhận dạngdòng điện phụ thuộc trực tiếp với độ tự cảm.

Chúng được nhận dạng bằng thực nghiệm và được tính toán bởi FEM.Phương pháp thực nghiệm trước đã cho xác định đặc tính từ hoá riêng biệtcủa máy biến áp động lực qua sự kích thích DC [6] đã được thay đổi sao chophù hợp với sự nhận dạng dòng điện phụ thuộc độ tự cảm của LSRM cungcấp bởi VSI dưới các điều kiện hoạt động khác nhau Sự so sánh giữa độ tựcảm bộ biến đổi nguồn áp đo được bởi thực nghiệm và bởi phương pháp tínhFRM được nêu trên đồ thị.

Độ chính xác của các thông số của kiểu LSRM 2 trục đo được bởi quátrình nhận biết đặt ra được kiểm tra lại bằng thực nghiệm So sánh giá trị đặtvới giá trị thực với đồ thị của vị trí, tốc độ, cường độ dòng điện, điện áp thựctế thu được bởi thực nghiệm và tính toán cho các kết quả tốt.

1.2.1 Kiểu động cơ 2 trục LSRM

Phần điện của 3 pha đấu Y kết nối LSRM được viết dưới dạng phươngtrình điện áp (1) và phương trình (2).

}{ abcabc

u  (1.1)

(1.2)

u [] , Tcba

(1.3)Trong đó:

x: Vị trí của phần chính.fe: Động lực cơ.

R: Điện trở.

Ua, Ub, Uc, và ia, ib, ic là điện áp và cường độ dòng điện của các pha.

Ma trận của độ tự cảm Labc được viết dưới dạng:

abc (1.

4) Trong đó:

2 (1.6)N: chỉ ra số lần quay của cuộn dây trên phần chính trong khi Rmg chỉ rađộ từ kháng nhỏ nhất và lớn nhất.

Trục trực tiếp d và trục q của kiểu LSRM 2 trục được xác định bởi trụcnhỏ nhất và lớn nhất của độ tự cảm, mô hình 2 trục d – q của LSRM có thểnhận được từ kiểu 3 pha bằng cách thay thế vectơ dòng điện và điện áp (iabc vàuabc) trong (1) và (2) với biểu thức bên phải (7).

(1.7)

T là ma trận biến đổi.

Ud, Uq và id, iq là giá trị đặt trên trục d-q điện áp dòng điện

Thành phần dòng điện io bằng 0 vì động cơ đấu Y và được bỏ đi trongcác biểu thức sau.

Mô hình kiểu động học 2 trục của LSRM thu được mô tả trong phươngtrình điện áp (9) và phương trình lực (10) và phương trình (11) cho thấy sựchuyển động của phần chính

 (1.10)

(1.11)

Ld =LsL+ 23 (Lg0+ Lg2)Ld =LsL+ 23 (Lg0 - Lg2)

(1.12)Lq và Ld điện cảm xác định trên trục d – q theo (12)

Mô hình kiểu động học 2 trục của động cơ LSRM được mô tả trênthường được sử dụng như là một nền tảng cho cấu tạo, sự thiết kế điều khiểntuyến tính Tính phi tuyến của mạch từ trên trục d - q và tính không đối xứngtại hai đầu LSRM không được tính đến trong mô hình này.

I.2.2 Nhận dạng các tham số thực nghiệm

Biểu đồ khối của kiểu 2 trục LSRM cho bởi (9), (10) và (11) được biểudiễn trong hình 1 cùng với vị trí điểu khiển đơn giản Cấu trúc điều khiển nàythể hiện nền tảng của sự nhận biết các thông số của LSRM Dấu * chỉ ra giátrị tham khảo, thông số của các cơ cấu điều khiển khác nhau và hệ thống thựcnghiệm khác nhau được nói đến sau đây trong bài luận văn này Trong tất cảnhững thí nghiệm, mô hình động học kiểu 2 trục LSRM được thay thế bởiphương trình toán học.

Những yếu tố của hệ thống này là: Ma trận biến đổi T(8) và ma trậnbiến đổi nghịch đảo T-1, bộ điều chế xung rộng (PWM), bộ biến tần, động cơLSRM và vị trí, cường độ dòng điện Vận tốc V được tính từ vị trí x.

Các tham số của mô hình LSRM 2 trục là: Điện trở của phần tử R, độtự cảm Ld và Lq, bước cực tp và hệ số ma sát b.

Điện trở R có thể đo được, trong khi bước cực tp là thông số thiết kế.Hệ số ma sát b có thể được xác định bằng cách cho động cơ LSRM làm việcvới vận tốc V khác nhau dưới các lực khác nhau Lực tác động và vận tốc đođược biểu diễn dưới dạng đồ thị sẽ có dạng đường thẳng Hệ số góc (độnghiêng) của đường thẳng này bằng hệ số ma sát b.

Mặc dù độ tự cảm Ld và Lq trong kiểu LSRM 2 trục là không đổi nhưngkiểu này có thể sử dụng cho sự nhận biết độ tự cảm phụ thuộc dòng điện Ld

(id, iq) dưới những điều kiện hoạt động khác nhau.

Độ tự cảm Ld(id,iq) có thể được xác định theo các khối chính trongtrường hợp này 0

Từ (9) cùng với (13)

u (1.13)Khi LSRM được cung cấp bởi VST, dòng điện iq có thể được điềukhiển để giữ gía trị cố định trong khi điện áp ud có thể thay đổi dưới dạng bậcthang Sự phụ thuộc từ thông móc vòng theo thời gian có thể được xác địnhbằng điện áp đã ghi lại: ud = ud (t) và dòng điện id = id (t) bởi (14).

1.3 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ TỪ KHÁNG LOẠI ĐÓNG NGẮT

Cũng giống như các loại động cơ khác, động cơ từ kháng đóng ngắtSwitched Reluctane Motor (SMR) được cấu tạo bởi hai phần chính: Statorvà Rotor

Hình 1.1 dưới đây là dạng Stator của SRM với 6 cực từ.

Hình 1.1 Sttator của ĐCTK loại 6/4

Không giống như Stator của các loại máy điện ba pha khác – loạimáy điện có các cuộn dây có thể phân tán tuỳ theo số đôi cực, Stator củaSRM có cấu tạo bởi nhiều cực từ chứa các cuộn dây tập trung.

Hình 1.2 ĐCTK loại 6/4

1.3.2 Rotor

Hoàn toàn khác biệt với Rotor của các loại máy điện khác, Rotorcủa SRM không chứa các cuộn dây và được chế tạo bằng vật liệu sắt từ cóxẻ răng (teeth) với tổng số răng bao giờ cũng ít hơn tổng số cực củaStator, việc chế tạo này hoàn toàn dựa nguyên tắc hoạt động của SRM sẽđược đề cập đến ở phần sau.

Hình 1.3 Rotor của ĐCTK

SRM có nhiều loại, tuỳ theo từng yêu cầu cụ thể về tốc độ, công suất Hình 1.4 giới thiệu một số loại SRM khác nhau.

a, b,

c, d,

Hình 1.4 Một số loại SRM điển hìnha, Loại 2 pha 4 cực stator|2 răng rotorb, Loại 4 pha 8 cực stator|6 răng rotorc, Loại 3 pha 6 cực stator|4 răng rotord, Loại 5 pha 10 cực stator|8 răng rotor

1.4 ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA SRM

Với cấu trúc đơn giản, có cực cả hai phía, Rotor không cần có thànhphần kích thích, SRM có một số ưu điểm nổi bật sau:

- Đặc tính làm việc: Momen khởi động lớn hơn nhiều so với cácloại động cơ không đồng bộ Do yêu cầu dòng điện chảy vào các cuộn dâyStator theo một chiều duy nhất giúp cho mạch công suất có cấu tạo đơngiản và tin cậy.

- Kích thước nhỏ hơn đáng kể so với các loại động cơ khác, điềunày tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm giá thành và quán tính của hệtruyền động cũng nhờ thế mà giảm thiểu đáng kể.

- Với cấu tạo đơn giản và kích thước nhỏ gọn, giá thành của hệtruyền động sử dụng SRM cũng thấp hơn so với các hệ truyền động sửdụng các loại động cơ khác, và theo đó sẽ giảm được giá thành vật liệu,giảm chi phí sản xuất, vận hành và bảo dưỡng hệ thống.

- Tốc độ lớn và khả năng gia tốc nhanh, theo tính toán thì với nhữngbộ điều khiển chất lượng cao, SRM có thể đạt tốc độ tối đa tới5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác0.000vòng/ phút.

- Do chỉ cấp điện phía Stator nên việc làm mát đối với SRM là vôcùng đơn giản, vì vậy mà SRM có thể làm việc tốt trong những môitrường khắc nghiệt.

Động cơ từ kháng có thể được cấp nguồn bằng cách đóng vàonguồn xoay chiều một pha hoặc ba pha, hoặc có thể đóng ngắt nguồn mộtchiều một cách độc lập và tuần tự vào các cuộc dây pha Stator, việc sửdụng phương pháp đóng ngắt nguồn một chiều một cách độc lập và tuầntự vào từng cặp dây pha làm giảm được 5) so với những hệ truyền động dùng các loại động cơ khác0% số lượng các phần tử chuyển

mạch công suất so với các bộ nghịch lưu kiểu cầu trong các bộ điều khiểntốc độ SRM Và từ nay trở về sau, tác giả cũng chỉ xin đề cập đến động cơtừ kháng loại có đóng ngắt (switched reluctane motor ) – tức là SRM.

Một hệ truyền động sử dụng SRM vốn sẵn có tính ổn định cao vàvẫn có thể hoạt động khi hệ truyền động gặp lỗi, SRM có thể hoạt độngtrong chế độ “limp - home” bằng cách thu nhỏ đặc tính làm việc khi mộtvan công suất bị hỏng Điều này khác hoàn toàn so với các hệ truyền độngsử dụng các loại động cơ khác.

Khi các công cụ điều khiển phát triển, SRM có những ứng dụng cụthể sau:

 Các hệ truyền động đặc biệt như: Máy nén khí, quạt gió, bơm máyli tâm (do đòi hỏi tốc độ quay lớn).

 Các hệ truyền động khác như: Chế biến thức ăn, máy giặt, máyhút bụi (đòi hỏi tính bền vững, ít phải bảo dưỡng).

 Các hệ cơ điện tử (đòi hỏi kích thước nhỏ do không chứa thànhphần kích thích).

 Các ứng dụng trong giao thông vận tải (đòi hỏi Momen khởi độnglớn).

 Các ứng dụng trong ngành hàng không (đòi hỏi không phát sinhtia lửa điện, ít phải bảo dưỡng, cần tốc độ quay lớn).

1.5 TIỀN ĐỀ ĐỂ XÂY DỰNG MỘT HỆ TRUYỀN ĐỘNG SRM

Một hệ truyền động chất lượng tốt là phải đáp ứng được những yêucầu chung nhất về làm việc trong cả bốn góc phần tư (chế độ làm việc4Q – quay và đảo chiều, Momen dương) Quá trình quá độ đáp ứng nhanh

khi chuyển chế độ làm việc giữa các góc phần tư Hơn nữa, một hệ truyềnđộng Servo chất lượng cao cần phải đáp ứng được những yêu cầu cao hơnnhư giảm thiểu được Momen lắc, đáp ứng quá độ nhanh, tăng tính ổnđịnh, khả năng làm việc ở tốc độ 0 và đảo chiều êm Ngay cả khi nhữngyêu cầu về chất lượng truyền động Servo không được thoả mãn thì việctối ưu hoá đặc tính làm việc cho các hệ thống điều chỉnh tốc độ đơn giảnvẫn phải thoả mãn việc điều khiển liên tục góc đóng mở của các van bándẫn công suất Các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều có chổithan hay không có chổi than luôn thoả mãn dòng điện phần ứng và dòngđiện kích từ Việc ứng dụng phương pháp điều khiển Vector (phươngpháp điều khiển tựa theo từ thông Rotor), các hệ truyền động sử dụngđộng cơ không đồng bộ ba pha hay động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửucũng thu được những đặc tính làm việc có chất lượng như hệ truyền độngđộng cơ một chiều Điều này là có thể được vì các phương trình của độngcơ xoay chiều có thể chuyển đổi thành dạng động cơ một chiều thông quacác phương pháp chuyển đổi toạ độ (phương pháp chuyển đổi toạ độ dq).

Tuy nhiên, đối với các hệ truyền động sử dụng SRM cũng không cóphương pháp chuyển đổi toạ độ hay phương pháp điều khiển tựa theo từthông Vì vậy, các yêu cầu chế độ làm việc 4Q và thoả mãn các yêu cầuvề chất lượng truyền động Servo chỉ có thể thực hiện được nhờ sử dụngcác bộ điều khiển trực tiếp điện áp và dòng điện pha của SRM Nhữngphương án điều khiển tương tự như vậy đó được sử dụng trong các hệtruyền động động cơ một chiều chất lượng cao và hệ truyền động động cơxoay chiều để thu được những đặc tính làm việc tốt nhất Một đặc điểmnữa của SRM khác biệt so với các loại động cơ khác là mối quan hệ giữaMomen, dòng điện và góc chuyển mạch có tính phi tuyến mạnh, làm hàmcủa tốc độ và phụ tải.